OpenSCAD 基础教程

OpenSCAD 基础教程

文章目录

      • OpenSCAD 基础教程
        • 1. 引言
        • 2. 安装与设置
        • 3. OpenSCAD 基本概念与语法
          • 3.1 基础形状
          • 3.2 变换操作
          • 3.4 布尔运算
          • 3.4 控制流
          • 3.5 特殊功能
        • 4. 实践案例：创建一个简单的机械部件
        • 5. 高级技巧
        • 6. 导出与3D打印
        • 7. 常见问题与解决方案
        • 8. 结语

1. 引言
  • 什么是OpenSCAD？
    • OpenSCAD是一款用于创建3D CAD模型的软件，专注于编写脚本来描述模型，而不是通过交互式界面来构建模型。
    • 它适合程序员或有编程背景的人，因为模型是通过编写代码生成的。
  • OpenSCAD的应用场景
    • 主要用于机械设计、3D打印、建筑模型和教育等领域。
2. 安装与设置

  • 安装OpenSCAD

    • 访问OpenSCAD官网 (https://www.openscad.org/downloads.html)，根据你的操作系统下载相应的安装包。
    • 按照安装提示完成软件安装。

  • 界面介绍

    • 代码编辑窗口: 在这里编写和修改代码。

    • 预览窗口: 显示你编写代码生成的3D模型。

    • 控制台: 显示错误信息和调试信息。

    • 工具栏: 包含常用操作按钮，如预览、渲染、导出等。

      1

3. OpenSCAD 基本概念与语法
3.1 基础形状

  • 立方体 (cube)

    cube([width, depth, height]);

    创建一个指定尺寸的立方体，默认从原点出发，边长为width、depth和height。

    //创建一个长宽高各为10的正立方体。
cube(10);

    2

    //创建一个长为10，高为20的立方柱。
cube([10,10,20]);

    3

  • 球体 (sphere)

    sphere(r=radius);

    创建一个指定半径radius的球体。

    //创建一个半径为5的球体
sphere(r = 5);

    4

  • 圆柱体 (cylinder)

    cylinder(h=height, r=radius);

    创建一个指定高度height和底面半径radius的圆柱体。

    //创建一个指定高度20和底面半径5的圆柱体
cylinder(h = 20, r = 5);

    5

  • 圆锥体 (cylinder with r1 and r2)

    cylinder(h=height, r1=bottom_radius, r2=top_radius);

    创建一个高度为height的圆锥体或截头圆锥体，底部半径为r1，顶部半径为r2。

    //创建一个高度为20的圆锥体，底部半径为5。
cylinder(h = 20, r1 = 5, r2 = 0);

    6

  • 环面 (torus)

    module torus(R = 20, r = 5) 
{
    rotate_extrude(angle = 360)
    translate([R, 0, 0])
    circle(r);
}

// 示例: 创建一个大半径为 20，小半径为 5 的环面
torus(R = 20, r = 5);

    7

    使用 rotate_extrude 和 translate 函数结合来创建一个环面。

    1. circle(r):
      • 创建一个半径为 r 的圆。这将成为环面截面的形状。
    2. translate([R, 0, 0]):
      • 将圆形沿着 X 轴平移 R 单位。这个平移将确定环面的大半径。
    3. rotate_extrude(angle = 360):
      • 将被平移的圆围绕 Z 轴旋转 360 度，从而生成一个环面。

  • 参数说明

    • R: 环面的大半径，即圆心到环面中心轴的距离。
    • r: 环面的小半径，即圆的半径。

    通过调整 R 和 r 参数，你可以生成不同大小和形状的环面。

  • 可选项

    如果你想生成部分环面，可以调整 rotate_extrude 的 angle 参数，例如：

    rotate_extrude(angle = 180)  // 生成半个环面

    这段代码会生成一个半环面。

3.2 变换操作

  • 平移 (translate)

    translate([x, y, z]) 
{
    // 你的模型
}

    平移模型至指定的x, y, z位置。

    module torus(R = 20, r = 5) 
{
    rotate_extrude(angle = 360)
    translate([R, 0, 0])
    circle(r);
}

translate([0, 0, 0])   cube(10);
translate([20, 0, 0])  cube([10,10,20]);
translate([40, 0, 0])  sphere(r = 5);
translate([60, 0, 0])  cylinder(h = 20, r = 5); 
translate([80, 0, 0])  cylinder(h = 20, r1 = 5, r2 = 0);
translate([120, 0, 0])  torus(R = 20, r = 5);

    8

  • 旋转 (rotate)

    rotate([x_angle, y_angle, z_angle]) 
{
    // 你的模型
}

    围绕x, y, z轴按指定角度旋转模型。

    module torus(R = 20, r = 5) 
{
    rotate_extrude(angle = 360)
    translate([R, 0, 0])
    circle(r);
}

rotate([0,30,0])  translate([0, 0, 0])   cube(10);
rotate([0,60,0]) translate([20, 0, 0])  cube([10,10,20]);
rotate([0,90,0]) translate([40, 0, 0])  sphere(r = 5);
rotate([0,120,0]) translate([60, 0, 0])  cylinder(h = 20, r = 5); 
rotate([0,150,0]) translate([80, 0, 0])  cylinder(h = 20, r1 = 5, r2 = 0);
rotate([0,180,0]) translate([120, 0, 0])  torus(R = 20, r = 5);

    9

  • 缩放 (scale)

    scale([x_factor, y_factor, z_factor]) 
{
    // 你的模型
}

    按x, y, z方向缩放模型。

    module torus(R = 20, r = 5) 
{
    rotate_extrude(angle = 360)
    translate([R, 0, 0])
    circle(r);
}

scale([0.5,1,1])  translate([0, 0, 0])   cube(10);
scale([1,0.5,1]) translate([20, 0, 0])  cube([10,10,20]);
scale([1,1,0.5]) translate([40, 0, 0])  sphere(r = 5);
scale([2,1,1]) translate([60, 0, 0])  cylinder(h = 20, r = 5); 
scale([1,2,1]) translate([80, 0, 0])  cylinder(h = 20, r1 = 5, r2 = 0);
scale([1,1,2]) translate([120, 0, 0])  torus(R = 20, r = 5);

    10

  • 镜像 (mirror)

    mirror([x, y, z]) 
{
    // 你的模型
}

    对模型进行镜像操作。镜像平面由向量[x, y, z]确定。

    module torus(R = 20, r = 5) 
{
    rotate_extrude(angle = 360)
    translate([R, 0, 0])
    circle(r);
}

mirror([0,0,0])  translate([0, 0, 0])   cube(10);
mirror([1,0,0]) translate([20, 0, 0])  cube([10,10,20]);
mirror([0,1,0]) translate([40, 0, 0])  sphere(r = 5);
mirror([0,0,1]) translate([60, 0, 0])  cylinder(h = 20, r = 5); 
mirror([0,1,1]) translate([80, 0, 0])  cylinder(h = 20, r1 = 5, r2 = 0);
mirror([1,1,0]) translate([120, 0, 0])  torus(R = 20, r = 5);

    11

  • 线性放样 (linear_extrude)

    linear_extrude(height) 
{
    // 2D形状
}

    对2D形状进行线性拉伸生成3D模型。

    // 圆形 -> 圆柱体
module circle3D(radius = 10, height = 5) 
{
    cylinder(r=radius, h=height);
}

// 半圆 -> 半圆柱体
module semiCircle3D(radius = 10, height = 5) 
{
    translate([-radius, 0, 0])
    linear_extrude(height=height)
        intersection() 
        {
            circle(r=radius);
            square([2*radius, radius]);
        }
}

// 方形 -> 立方体
module square3D(size = [10, 10], height = 5) 
{
    linear_extrude(height=height)
        square(size);
}

// 三角形 -> 三棱柱
module triangle3D(base = 10, height = 10, prismHeight = 5) 
{
    linear_extrude(height=prismHeight)
        polygon(points=[[0,0], [base, 0], [base/2, height]]);
}

// 长方形 -> 长方体
module rectangle3D(size = [10, 20], height = 5) 
{
    linear_extrude(height=height)
        square(size);
}

// 菱形 -> 菱形棱柱
module rhombus3D(diagonal1 = 15, diagonal2 = 10, height = 5) 
{
    linear_extrude(height=height)
        polygon(points=[[0, diagonal2/2], [diagonal1/2, 0], [0, -diagonal2/2], [-diagonal1/2, 0]]);
}

// 五边形 -> 五棱柱
module pentagon3D(side = 10, height = 5) 
{
     // 五边形的顶点坐标
    points = 
    [
        [side * cos(0), side * sin(0)], 
        [side * cos(72), side * sin(72)], 
        [side * cos(144), side * sin(144)], 
        [side * cos(-144), side * sin(-144)], 
        [side * cos(-72), side * sin(-72)]
    ];
    
    // 生成五棱柱
    linear_extrude(height=height)
        polygon(points);
}

// 六边形 -> 六棱柱
module hexagon3D(side = 10, height = 5) 
{
    points = 
    [
        [side * cos(0), side * sin(0)], 
        [side * cos(60), side * sin(60)], 
        [side * cos(120), side * sin(120)], 
        [side * cos(180), side * sin(180)], 
        [side * cos(240), side * sin(240)], 
        [side * cos(300), side * sin(300)]
    ];
    
      // 生成六棱柱
    linear_extrude(height=height)
        polygon(points);
}

// 七边形 -> 七棱柱
module heptagon3D(side = 10, height = 5) 
{
      // 七边形的顶点坐标
    points = 
    [
        [side * cos(0), side * sin(0)], 
        [side * cos(51.43), side * sin(51.43)], 
        [side * cos(102.86), side * sin(102.86)], 
        [side * cos(154.29), side * sin(154.29)], 
        [side * cos(205.71), side * sin(205.71)], 
        [side * cos(257.14), side * sin(257.14)], 
        [side * cos(308.57), side * sin(308.57)]
    ];
    
    // 生成七棱柱
    linear_extrude(height=height)
        polygon(points);
}

// 圆锥形 -> 圆锥体
module cone3D(radius = 10, height = 15) 
{
    cylinder(r1=radius, r2=0, h=height);
}

// 圆柱形 -> 圆柱体
module cylinder3D(radius = 10, height = 15) 
{
    cylinder(r=radius, h=height);
}

// 梯形 -> 梯形棱柱
module trapezoid3D(top_width = 15, bottom_width = 25, height = 10, prismHeight = 5) 
{
    linear_extrude(height=prismHeight)
        polygon(points=[[0,0], [bottom_width,0], [top_width, height], [0, height]]);
}

// 平行四边形 -> 平行四边形棱柱
module parallelogram3D(base = 20, side = 10, height = 5) 
{
    linear_extrude(height=height)
        polygon(points=[[0,0], [base, 0], [base + side, height], [side, height]]);
}

// 金字塔形 -> 四棱锥
module pyramid3D(base = 20, height = 10) 
{
    polyhedron(
        points=[[0,0,0], [base,0,0], [base,base,0], [0,base,0], [base/2,base/2,height]],
        faces=[[0,1,4], [1,2,4], [2,3,4], [3,0,4], [0,1,2,3]]
    );
}




// 测试和展示所有形状
module Shape3D()
{
    translate([0, 0, 0])    circle3D(10, 5);
    translate([25, 0, 0])   semiCircle3D(10, 5);
    translate([50, 0, 0])   square3D([10, 10], 5);
    translate([75, 0, 0])   triangle3D(10, 10, 5);
    translate([100, 0, 0])  rectangle3D([10, 20], 5);
    translate([125, 0, 0])  rhombus3D(15, 10, 5);
    translate([150, 0, 0])  pentagon3D(10, 5);
    translate([175, 0, 0])  hexagon3D(10, 5);
    translate([200, 0, 0])  heptagon3D(10, 5);
    translate([225, 0, 0])  cone3D(10, 15);
    translate([250, 0, 0])  cylinder3D(10, 15);
    translate([275, 0, 0])  trapezoid3D(15, 25, 10, 5);
    translate([320, 0, 0])  parallelogram3D(20, 10, 5);
    translate([360, 0, 0])  pyramid3D(20, 10);
}
Shape3D();

    12

    自定义形状

    // 三角形
module triangle(base = 10, height = 10) 
{
    points = 
    [
        [0,0], 
        [base, 0],
        [base/2, height]
    ];
    
    polygon(points);
}

// 长方形
module rectangle(size = [10, 20]) 
{
    square(size);
}

// 菱形
module rhombus(diagonal1 = 15, diagonal2 = 10) 
{
    points = 
    [
        [0, diagonal2/2], 
        [diagonal1/2, 0],
        [0, -diagonal2/2],
        [-diagonal1/2, 0]
    ];
    polygon(points);
}

// 五边形
module pentagon(side = 10) 
{
     // 五边形的顶点坐标
    points = 
    [
        [side * cos(0), side * sin(0)], 
        [side * cos(72), side * sin(72)], 
        [side * cos(144), side * sin(144)], 
        [side * cos(-144), side * sin(-144)], 
        [side * cos(-72), side * sin(-72)]
    ];
    polygon(points);
}

// 六边形
module hexagon(side = 10) 
{
    points = 
    [
        [side * cos(0), side * sin(0)], 
        [side * cos(60), side * sin(60)], 
        [side * cos(120), side * sin(120)], 
        [side * cos(180), side * sin(180)], 
        [side * cos(240), side * sin(240)], 
        [side * cos(300), side * sin(300)]
    ];
    
    polygon(points);
}

// 七边形
module heptagon(side = 10) 
{
      // 七边形的顶点坐标
    points = 
    [
        [side * cos(0), side * sin(0)], 
        [side * cos(51.43), side * sin(51.43)], 
        [side * cos(102.86), side * sin(102.86)], 
        [side * cos(154.29), side * sin(154.29)], 
        [side * cos(205.71), side * sin(205.71)], 
        [side * cos(257.14), side * sin(257.14)], 
        [side * cos(308.57), side * sin(308.57)]
    ];
    
    polygon(points);
}
 
// 梯形
module trapezoid(top_width = 15, bottom_width = 25, height = 10) 
{
    points = 
    [
        [0,0], 
        [bottom_width,0],
        [top_width, height],
        [0, height]
    ];
    polygon(points);
}

// 平行四边形
module parallelogram(base = 20, side = 10, height = 5) 
{
    points =
    [
        [0,0],
        [base, 0],
        [base + side, height],
        [side, height]
    ];
    polygon(points);
}

 
 

// 测试和展示所有形状
module Shape3D()
{
    translate([0, 0, 0])  linear_extrude(height = 5) triangle(10, 10);
    translate([25, 0, 0]) linear_extrude(height = 5) rectangle([10, 20]);
    translate([50, 0, 0]) linear_extrude(height = 5) rhombus(15, 10);
    translate([75, 0, 0]) linear_extrude(height = 5) pentagon(10);
    translate([100, 0, 0]) linear_extrude(height = 5) hexagon(10);
    translate([125, 0, 0]) linear_extrude(height = 5) heptagon(10);
    translate([150, 0, 0]) linear_extrude(height = 5)  trapezoid(15, 25, 10);
    translate([200, 0, 0]) linear_extrude(height = 5)  parallelogram(20, 10);
  
}
Shape3D();

    14

  • 旋转放样 (rotate_extrude)

    rotate_extrude(angle=360) 
{
    // 2D形状
}

    通过围绕一个轴旋转2D形状生成3D模型，angle指定旋转角度。

      //创建一个方面环
  translate([0,0,0])
    rotate_extrude(angle = 360)
        translate([40, 0, 0])
        square(10);
   
  //创建一个圆面环
  translate([0,0,15])
    rotate_extrude(angle = 360)
        translate([20, 0, 0])
        circle(5);

    13

3.4 布尔运算

  • 联合 (union)

    union() 
{
    // 模型1
    // 模型2
}

    将多个模型合并成一个整体。

  • 差集 (difference)

    difference() 
{
    // 模型1
    // 模型2
}

    从第一个模型中减去其他模型。

  • 交集 (intersection)

    intersection() 
{
    // 模型1
    // 模型2
}

    取多个模型的交集部分。

3.4 控制流

  • 模块 (module)

    module moduleName() 
{
    // 模型定义
}
moduleName();

    定义一个模块，以便重复使用该模型。

  • 变量与赋值 (=)

    size = 10;
cube([size, size, size]);

    使用变量来存储和复用值。

  • 条件语句 (if)

    if (condition) 
{
    // 条件为真时的模型
} 
else 
{
    // 条件为假时的模型
}

    根据条件生成不同的模型。

  • 循环 (for)

    for (i = [start : step : end]) 
{
    // 根据`i`生成的模型
}

    用于生成重复结构，例如排列一系列模型。

  • 生成器 (children)

    module wrapper() 
{
    translate([x, y, z])
    children();
}
wrapper() 
{
    // 子模型
}

    创建一个可以处理子模块的模块。

3.5 特殊功能

  • 颜色 (color)

    color("red") 
{
    // 模型
}

    为模型添加颜色，颜色名称可用字符串或RGB值表示。

  • 透明度 (alpha)

    color([r, g, b, alpha]) 
{
    // 模型
}

    为模型设置透明度，alpha值在0到1之间。

  • 多面体 (polyhedron)

    polyhedron(points=[...], faces=[...]);

    使用顶点和面定义一个多面体。

  • 文本 (text)

    text("Hello", size=10, font="Arial", valign="center");

    生成文本，文本可以通过linear_extrude或rotate_extrude生成3D效果。

4. 实践案例：创建一个简单的机械部件

  • 案例描述: 创建一个带有圆孔的方块。

  • 步骤

    1. 创建一个立方体：cube([20, 20, 20]);

    2. 在立方体上钻一个圆孔：

      difference() 
{
    cube([20, 20, 20]);
    translate([10, 10, 0])
    cylinder(h=20, r=5);
}

    3. 渲染模型并查看结果。

5. 高级技巧

  • 变量与参数化设计

    • 通过变量控制模型尺寸，使模型更具灵活性。

    • 例如：

      size = 20;
cube([size, size, size]);

  • 条件语句

    • 使用

      if

      语句来控制模型的生成：

      if (condition) 
{
    // 生成模型A
} 
else 
{
    // 生成模型B
}

  • 循环

    • 使用

      for

      循环创建重复结构：

      for (i = [0 : 10]) 
{
    translate([i*2, 0, 0]) cube([1, 1, 1]);
}

  • 模块外部调用

  1. use 指令：
    • use 用于引入外部文件中的模块和函数，但不会立即执行该文件中的代码。只会将文件中的模块和函数加载到当前文件中供使用。
  2. include 指令：
    • include 也用于引入外部文件中的模块和函数，但与 use 不同，它会立即执行该文件中的所有代码。

示例用法

假设你有一个外部文件 shapes.scad，内容如下：

// shapes.scad

module hexagon3D(side = 10, height = 5)
 {
    points = 
    [
        [side * cos(0), side * sin(0)], 
        [side * cos(60), side * sin(60)], 
        [side * cos(120), side * sin(120)], 
        [side * cos(180), side * sin(180)], 
        [side * cos(240), side * sin(240)], 
        [side * cos(300), side * sin(300)]
    ];
    
    linear_extrude(height=height)
        polygon(points);
}

module square3D(size = [10, 10], height = 5)
 {
    linear_extrude(height=height)
        square(size);
}

现在，你可以在另一个 OpenSCAD 文件中使用 use 或 include 指令来调用 shapes.scad 文件中的模块：

// main.scad

use <shapes.scad>;

// 调用 hexagon3D 模块
hexagon3D(side = 15, height = 10);

include：

// main.scad

include <shapes.scad>;

// 调用 hexagon3D 模块
hexagon3D(side = 15, height = 10);

区别总结

  • 使用 use <file.scad> 时，只加载模块和函数，不执行 file.scad 中的其他代码。
  • 使用 include <file.scad> 时，加载并执行 file.scad 中的所有代码。
6. 导出与3D打印
  • 导出STL文件
    • 渲染模型后，通过菜单 File > Export > Export as STL 导出STL文件。
    • 该文件可以用于3D打印或进一步加工。
7. 常见问题与解决方案
  • 错误调试
    • 如何阅读和理解控制台中的错误信息。
    • 常见错误的解决方法。
  • 优化模型
    • 提升模型生成速度的技巧，如减少不必要的布尔运算、优化代码结构等。
8. 结语
  • 进一步学习资源
    • 官方文档和社区资源链接。
    • 推荐的学习路线。
  • 动手实践的重要性
    • 鼓励读者多动手实践，尝试独立完成一些项目，逐步提高对OpenSCAD的理解和应用能力。

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